第八章功率器件06.pptx

Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU一、引言一、引言v功率器件的作用：功率器件的作用：整流、放大、开关整流、放大、开关v功率器件的性能：由额定电压、额定电流、开关速度功率器件的性能：由额定电压、额定电流、开关速度（工作频率）、反向耐压等描述。（工作频率）、反向耐压等描述。v关键参数：输出容量额定电压关键参数：输出容量额定电压 额定电流额定电流大的功率意味大的功率意味着大电流和高着大电流和高的电压。的电压。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU二、二极管二、二极管各种二极管的工作和特点各种二极管的工作和特点二极管种类二极管种类工作原理工作原理特点特点检波二极管检波二极管Pn结整流作用结整流作用小信号、高频小信号、高频整流二极管整流二极管Pn结整流作用结整流作用大电流、高耐压大电流、高耐压开关二极管开关二极管Pn结整流作用结整流作用高速开关高速开关稳压二极管稳压二极管Pn结的击穿特性结的击穿特性常与温度相关常与温度相关变容二极管变容二极管Pn结耗尽层电容结耗尽层电容调谐调谐肖特基势垒二极肖特基势垒二极管管金属半导体接金属半导体接触的特性触的特性整流、快速整流、快速Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU常见的功率二极管常见的功率二极管pn结整流二极管结整流二极管已实现额定电流数毫安千安已实现额定电流数毫安千安,反向耐压数十伏千伏的二极管反向耐压数十伏千伏的二极管Pn结与外部接触的表面部结与外部接触的表面部分由于高电压会发生沿面分由于高电压会发生沿面放电，为此制成斜角结构，放电，为此制成斜角结构，并涂硅胶保护。并涂硅胶保护。为提高耐压可以在高阻为提高耐压可以在高阻n区中增加区中增加p和和n交错重交错重叠的结构，使耗尽层能向叠的结构，使耗尽层能向整个整个n区扩展。区扩展。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUpin 二极管二极管特点：耐压高特点：耐压高200V时时多采用、功率大，但多采用、功率大，但反向恢复时存在较大反向恢复时存在较大瞬态电流，会带来显瞬态电流，会带来显著功率损耗。著功率损耗。i层（层（n层）漂移区，层）漂移区，必须掺杂浓度低、厚必须掺杂浓度低、厚度大度大Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU肖特基整流二极管肖特基整流二极管n层扩散区，必须掺杂层扩散区，必须掺杂浓度低、厚度大浓度低、厚度大利用金属半导体接利用金属半导体接触的整流特性。触的整流特性。多子器件多子器件Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU肖特基整流二极管肖特基整流二极管特点：低工作电压特点：低工作电压100V时多采用具有开态电压时多采用具有开态电压低、工作频率高等特点。低、工作频率高等特点。存在反向电压增加引起泄漏电流迅速增加的问题。存在反向电压增加引起泄漏电流迅速增加的问题。金属半导体接触中的肖特基效应金属半导体接触中的肖特基效应Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU结势垒控制型肖特基二极管结势垒控制型肖特基二极管 JBS在肖特基二极管的在肖特基二极管的漂移区增加漂移区增加pn结，结，使反偏时使反偏时pn结势垒结势垒屏蔽外加偏压对肖屏蔽外加偏压对肖特基势垒的影响，特基势垒的影响，消除反向电压增加消除反向电压增加引起泄漏电流迅速引起泄漏电流迅速增加的问题。增加的问题。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU三、晶闸管三、晶闸管晶闸管晶闸管 tryristor，可控硅整流器，可控硅整流器是一类具有三个以上是一类具有三个以上pn结的器件，能够保持开态和关态两结的器件，能够保持开态和关态两种稳定状态，并可在两种状态间转换的器件。种稳定状态，并可在两种状态间转换的器件。关态下：可以承受低反向电流下的高偏压。关态下：可以承受低反向电流下的高偏压。开态下：在低压降下能传导大电流。开态下：在低压降下能传导大电流。通常使用多的是：通常使用多的是：反向阻挡三端可控整流器（硅可控整流器、晶闸管）反向阻挡三端可控整流器（硅可控整流器、晶闸管）GTO晶闸管晶闸管双向硅可控整流管双向硅可控整流管Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU反向阻挡三端可控整流器（硅可控整流器、晶闸管）反向阻挡三端可控整流器（硅可控整流器、晶闸管）结构、特性结构、特性有通和断两个稳定状态、有负阻现象有通和断两个稳定状态、有负阻现象Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU器件中的杂质分布情况器件中的杂质分布情况Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU工作原理工作原理反向区：反向区：A接负，接负，K接正。偏压小于接正。偏压小于pn结的反向击穿电结的反向击穿电压（反向阻断电压压（反向阻断电压)J1结、结、J3结反偏。只有很小的电流流过。结反偏。只有很小的电流流过。类似于类似于pn结的反向电流结的反向电流任何信号任何信号Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU工作原理工作原理 正向区正向区断态区：断态区：A接正，接正，K接负，但所加偏压较小（接负，但所加偏压较小（VJ2结结 的雪崩击穿电压。的雪崩击穿电压。J1结、结、J3结正偏；结正偏；J2结反偏。结反偏。正偏正偏正偏正偏反偏反偏正向区的载流子分布正向区的载流子分布Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU工作原理工作原理 正向区正向区断态区断态区由于由于J2反偏，只能流过很小反偏，只能流过很小的反向电流，因此在该区，的反向电流，因此在该区，虽然工作在正向区，但只有虽然工作在正向区，但只有小的电流，特性类似于二极小的电流，特性类似于二极管的反向特性。管的反向特性。I0 IB0Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU雪崩区：雪崩区：A接正，接正，K接负，但所加偏压增大（接负，但所加偏压增大（VJ2结结 的雪崩击穿电压的雪崩击穿电压VB）。）。J1结、结、J3结正偏；结正偏；J2结反偏，但结反偏，但出现雪崩击出现雪崩击 穿，产生大量电子、穿，产生大量电子、空穴对，反向漏电流变大。器件空穴对，反向漏电流变大。器件转为导通，该界限为转折电压转为导通，该界限为转折电压VBo。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU雪崩区雪崩区加栅控电流加栅控电流IG后，相当于后，相当于n2p2n1晶体管的晶体管的基极电流，在基极电流，在J1处引起空穴的反向注入，处引起空穴的反向注入，增大到一定后，增大到一定后，J2结中出现载流子积累，结中出现载流子积累，器件转为导通。器件转为导通。IG增大，增大，VB0减小。通常减小。通常 IG在几在几mA几百几百mA。晶闸管用小信号控制大功率的晶闸管用小信号控制大功率的晶闸管用小信号控制大功率的晶闸管用小信号控制大功率的 “可控可控可控可控”器件。器件。器件。器件。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU负阻区：负阻区：A接正，接正，K接负，外加电压大于转折电压。接负，外加电压大于转折电压。J1结、结、J3结正偏；结正偏；J2结反偏，雪崩结反偏，雪崩击击 穿所产生大量电子、空穴对受反穿所产生大量电子、空穴对受反向电场抽取，电子进入向电场抽取，电子进入n1区，空穴区，空穴进入进入p2区，使空间电荷区变薄，雪区，使空间电荷区变薄，雪崩减弱，崩减弱，J1、J3结的注入增强。出结的注入增强。出现电压减小，电流增加的负阻现象。现电压减小，电流增加的负阻现象。负阻区负阻区Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU导通区：导通区：A接正，接正，K接负，负阻情况积累到一定程度后，接负，负阻情况积累到一定程度后，出现出现p2区相当于区相当于n1区为正，区为正，J2结倒向，三个结均处于正结倒向，三个结均处于正偏。出现类似于二极管正向大偏。出现类似于二极管正向大IV特性。器件转为导通。特性。器件转为导通。导通后栅极信号失去作用，导通后栅极信号失去作用，IG撤去撤去后器件仍为此导通。于是仅靠后器件仍为此导通。于是仅靠IG无无法实现由导通到阻断态的关断。法实现由导通到阻断态的关断。为了保持导通状态所必须的最低电压和电为了保持导通状态所必须的最低电压和电流分别称为维持电压流分别称为维持电压VH和维持电流和维持电流IH。正向导通区正向导通区Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU导通导通Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU导通态导通态阻断态阻断态由导通态返回阻断态必须减小电压（由导通态返回阻断态必须减小电压（VVH），或改变），或改变偏压的极性。偏压的极性。阻断态阻断态导通态导通态A接正，接正，K接负，外加电压大于转折电压。接负，外加电压大于转折电压。IG的作用在于调控转折电压的大小。的作用在于调控转折电压的大小。易于实现大容量，但没有自关断能力，难以适应复杂控制。易于实现大容量，但没有自关断能力，难以适应复杂控制。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU开关特性开关特性额定临界导通电流上升率额定临界导通电流上升率可控硅整流器的导通是从栅附近开始，逐渐向全区扩展可控硅整流器的导通是从栅附近开始，逐渐向全区扩展开去，扩展速度约开去，扩展速度约0.1mm/us.若导通电流上升过快，则若导通电流上升过快，则其电流会集中在栅附近而导致器件损坏。因此需要规定其电流会集中在栅附近而导致器件损坏。因此需要规定导通时的电流上升率。导通时的电流上升率。典型值为：典型值为：100A/us关断时间关断时间在导通态时，加反向偏压使之转换为关断态后，如果马上再在导通态时，加反向偏压使之转换为关断态后，如果马上再加小的正向偏压，往往是再次返回到导通态，而无法退回到加小的正向偏压，往往是再次返回到导通态，而无法退回到正向阻断态。为此，必须加足够长时间的反向电压。定义：正向阻断态。为此，必须加足够长时间的反向电压。定义：从导通电流变为零的时刻起，到正向阻断能力恢复所需要的从导通电流变为零的时刻起，到正向阻断能力恢复所需要的时间为关断时间，典型值为几十几百微秒数量级。时间为关断时间，典型值为几十几百微秒数量级。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU临界关电压上升率临界关电压上升率当陡变电压加到处于正向阻断态的硅可控整流器当陡变电压加到处于正向阻断态的硅可控整流器的的AK间，则转折电压会下降。所加电压的变化率间，则转折电压会下降。所加电压的变化率dV/dt越大则越容易转移到开态，通常定义：当达越大则越容易转移到开态，通常定义：当达到额定电压的到额定电压的1/2或或2/3时，的时，的dV/dt为临界关电压为临界关电压上升率。典型值为：上升率。典型值为：1001000V/us。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU栅关断（栅关断（GTO）硅可控整流管）硅可控整流管GTO硅可控整流管（硅可控整流管（Gate Turn Off）普通硅可控整流管普通硅可控整流管加上正的栅极信号可以使其导通，但加栅极信号却无法使器加上正的栅极信号可以使其导通，但加栅极信号却无法使器件关断。必须设置复杂的控制电路使件关断。必须设置复杂的控制电路使AK间的电流过零。结间的电流过零。结果使控制电路复杂、体积增加成本提高，效率降低。果使控制电路复杂、体积增加成本提高，效率降低。用正的栅极信号可以控制其导通，负的栅极信号可以实用正的栅极信号可以控制其导通，负的栅极信号可以实现其关断的特殊晶闸管。在具有普通硅可控整流管特点现其关断的特殊晶闸管。在具有普通硅可控整流管特点的同时还具有控制简便的优点。的同时还具有控制简便的优点。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU栅关断（栅关断（GTO）硅可控整流管）硅可控整流管Gate Turn Off细长的阴极周围用栅极围住，细长的阴极周围用栅极围住，使积累在使积累在n1、p2中的载流子中的载流子容易由栅极引出，在关断时容易由栅极引出，在关断时强制主电流降到维持电流以强制主电流降到维持电流以下，从而实现关断。下，从而实现关断。通常用于关断通常用于关断 的栅电流达到截止住主电流的的栅电流达到截止住主电流的1/31/5，即关断即关断1000A的电流，必需的电流，必需200300A的栅电流。的栅电流。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU栅关断（栅关断（GTO）硅可控整流管）硅可控整流管Gate Turn Off为改善为改善dV/dt特性特性和关断特性常采和关断特性常采用将用将p1层和层和n1层层短接的阳极短路短接的阳极短路结构。但此时反结构。但此时反向耐压降低。向耐压降低。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU四、功率四、功率MOSFET传统的传统的MOSFET结构在功率应用中的问题结构在功率应用中的问题提高源提高源漏耐压漏耐压增加源增加源漏间距漏间距沟长必沟长必须增大须增大MOSFET的导通电流仅在的导通电流仅在非常薄的反型层中流过非常薄的反型层中流过导通电阻导通电阻大，难以大，难以获得大的获得大的输出电流输出电流不适于功不适于功率应用率应用Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU功率功率MOSFET的结构的结构V型槽型槽MOSFET（VVMOSFET）最早采用）最早采用横向双扩散横向双扩散MOSFET（LDMOSFET）纵向双扩散纵向双扩散MOSFET（VDMOSFET，UMOSFET）发展最快、使用最广，耐压、导通电阻、电流驱发展最快、使用最广，耐压、导通电阻、电流驱动能力均佳，易于集成。动能力均佳，易于集成。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU纵向双扩散纵向双扩散MOSFET VDMOSFET利用感应沟利用感应沟利用感应沟利用感应沟道电导调制道电导调制道电导调制道电导调制的多子器件的多子器件的多子器件的多子器件栅控的导电沟道是栅控的导电沟道是平行的平行的主电流方向由主电流方向由S到到D是垂直的（纵向）是垂直的（纵向）Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU纵向双扩散纵向双扩散MOSFET VDMOSFETVGS0,由于栅极的感应将使栅下的由于栅极的感应将使栅下的p区耗尽，随着栅压的增加区耗尽，随着栅压的增加p区将反型，区将反型，形成形成n型的导电沟道，这时若在源漏间型的导电沟道，这时若在源漏间加上电压，则电子将从源端加上电压，则电子将从源端S通过反型通过反型层流向漏端层流向漏端D。VG的大小可以控制反型层的导电能力，的大小可以控制反型层的导电能力，从而控制源漏电流的大小。从而控制源漏电流的大小。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUVDMOSFET 的输出特性的输出特性线性区线性区 恒电阻区恒电阻区VG0,半导体表面反型形成半导体表面反型形成n沟道沟道VDVG,VD的变化不影响沟道的变化不影响沟道的形状和反型载流子数的形状和反型载流子数沟道呈沟道呈电阻性电阻性IDVD呈线性呈线性开态电阻开态电阻决定最大决定最大额定电流额定电流和功耗和功耗Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU饱和区饱和区 恒电流区恒电流区随着随着VD增大到一定值以后，水平沟道出现夹断，漏极电增大到一定值以后，水平沟道出现夹断，漏极电流达到最大值流达到最大值Idmax，并基本保持不变。，并基本保持不变。器件的跨导器件的跨导 gm，源漏电流，源漏电流随栅电压的变化率。随栅电压的变化率。增大跨导可增大跨导可以在低栅电以在低栅电压下获得高压下获得高的电流驱动的电流驱动能力。能力。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU开态电阻开态电阻 Ron功率功率MOSFET的重要参数，描述了器件的电流驱动能力。的重要参数，描述了器件的电流驱动能力。RonRnRCHRARJRDRS源源n区区P基基区之区之间的间的扩散扩散区区漂移漂移区电区电阻阻衬底衬底电阻电阻沟道沟道电阻电阻积积累累层层电电阻阻Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU截止区截止区当当VGVT时，栅压不足以在半导体的表面形成反型沟道。时，栅压不足以在半导体的表面形成反型沟道。ID0Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUUMOSFET具有较高的沟道密度（有源具有较高的沟道密度（有源区沟道宽度区沟道宽度/cm2),使得器件开使得器件开态电阻减少。态电阻减少。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU极限参数极限参数最大源漏电流最大源漏电流 IDmax决定决定IDmax的主要因素是器件的宽度。通常通过特殊的结的主要因素是器件的宽度。通常通过特殊的结构单元设计，以增加单位管芯面积的沟道宽度。构单元设计，以增加单位管芯面积的沟道宽度。最大输出功率最大输出功率PDmax同时还受热损耗的限制。同时还受热损耗的限制。Pdmax=(1/2)Idmax(Vdmax-Vdmin)由最大允许漏极电流、最大允许源漏电压和电流由最大允许漏极电流、最大允许源漏电压和电流为最大允许漏极电流时的最小源漏电压所决定为最大允许漏极电流时的最小源漏电压所决定Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU击穿电压击穿电压防止寄生防止寄生npn引起的穿通击穿引起的穿通击穿合理设计基区宽度合理设计基区宽度合理设计扩散杂质分布合理设计扩散杂质分布可能发生源漏击穿或栅击穿可能发生源漏击穿或栅击穿Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU安全工作区安全工作区MOSFET的的IV平面内的一个区域，在该范围内运行平面内的一个区域，在该范围内运行器件是安全的。在不同的偏置条件下的影响因素不同。器件是安全的。在不同的偏置条件下的影响因素不同。在低漏压时，最大漏极电流是主要的因素。在低漏压时，最大漏极电流是主要的因素。在中等漏压下，最大允许耗散功耗是主要的因素。在中等漏压下，最大允许耗散功耗是主要的因素。在大漏压下，击穿电压是主要的限制因素。在大漏压下，击穿电压是主要的限制因素。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBTIGBT Insulated Gate Bipolar Transistor电压驱动型，以电压驱动型，以MOSFET作为基本技术，可以开关作为基本技术，可以开关高电压大电流的器件，兼有高电压大电流的器件，兼有MOS器件高输入阻抗和器件高输入阻抗和双极器件低损耗的特点。具有控制功率小，开关速双极器件低损耗的特点。具有控制功率小，开关速度快、电流处理能力大、饱和电压低等特点。度快、电流处理能力大、饱和电压低等特点。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUIGBT的基本结构的基本结构N沟沟 IGBT与功率与功率MOSFET的差别：的差别：MOS 是是nn衬底衬底IGBT是是pn衬底衬底IGBT是用一个是用一个MOSFET驱动驱动PNP双极晶体管双极晶体管Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUIGBT的等效电路和符号的等效电路和符号Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUIGBT的工作原理的工作原理MOSFET双极晶体管双极晶体管寄生晶闸管寄生晶闸管双极晶体管双极晶体管Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU反向阻断模式：反向阻断模式：VCE0(集电极加相当于发射极为正的偏压集电极加相当于发射极为正的偏压）J1J2J3正向阻断正向阻断VEG0（栅与发射极短接）（栅与发射极短接）VCE0 栅下没有形成表面反型层。栅下没有形成表面反型层。J2结反偏，结反偏，该结构中只能流过小的该结构中只能流过小的pn结反向电流。结反向电流。正向阻断能力通常低于反向阻断能力：正向阻断能力通常低于反向阻断能力：由于由于J2结的空间电荷区容易与结的空间电荷区容易与J1结的结的相连，形成穿通。相连，形成穿通。直流工作时，直流工作时，IGBT不需承受反不需承受反向偏压，可根据正向偏压，可根据正向特性设计器件。向特性设计器件。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUJ1J2J3正向导通正向导通VEGVt（栅压大于阈值电压）（栅压大于阈值电压）VCE0 栅下形成表面反型层。栅下形成表面反型层。J2结反偏，但反结反偏，但反型层构成了联接型层构成了联接n发射区与发射区与n型漂移型漂移区的导电沟道。该结构导通，可以在区的导电沟道。该结构导通，可以在高的电流密度下工作。高的电流密度下工作。pin整流管与整流管与MOSFET的串联的串联通常通常IGBT的电流密度为功率的电流密度为功率MOSFET的的20倍倍Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUIGBT的特性的特性Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU寄生晶闸管的闩锁效应寄生晶闸管的闩锁效应MOSFET双极晶体管双极晶体管寄生晶闸管寄生晶闸管最大工作电流受结构中寄生晶闸管的限制最大工作电流受结构中寄生晶闸管的限制J1J2J3电子电流电子电流nMOS沟道沟道偏移偏移区区正偏正偏J1结结收集收集极极发射发射极极空穴电流空穴电流P区区正偏正偏J1结结收集收集极极发射发射极极J2结结收集收集空穴电流空穴电流J3结正偏结正偏大于大于pn结的正向导通结的正向导通电压，电压，npn和和pnp晶体晶体管的电流增益之和管的电流增益之和1开态电开态电流增大流增大闩闩锁锁集电极电流直集电极电流直接流到发射极接流到发射极IGBT电流不受栅压控制，电流不受栅压控制，不经过不经过MOSFET沟道沟道Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUIGBT的安全工作区的安全工作区 SOASOA safe operating area如果功率损耗维持在器件决定的热限制内，则器件可以正常工作而不发生破坏性失效。如果功率损耗维持在器件决定的热限制内，则器件可以正常工作而不发生破坏性失效。低电流密度，低电流密度，高电压高电压器件能够承受的最大电压受边缘击穿电压。器件能够承受的最大电压受边缘击穿电压。低集电极电压，低集电极电压，高电流密度高电流密度器件能够承受的最大流受寄生晶闸管效应的限制。器件能够承受的最大流受寄生晶闸管效应的限制。高栅压高栅压器件的闩锁效应。器件的闩锁效应。电流、电压电流、电压同时增大同时增大主要是功率损耗，由芯片的封装、散热等因素决定。主要是功率损耗，由芯片的封装、散热等因素决定。SiC功率器件功率器件从功率应用角度，衡量半导体材料的从功率应用角度，衡量半导体材料的Baliga指标指标（1）热传导）热传导 漂移区电导漂移区电导（2）指标（）指标（1）击穿电场击穿电场（3）漂移区电导）漂移区电导单极器件的单极器件的BFOMGaAs的的BFOM是是Si的的12.7倍倍SiC的的BFOM是是Si的的200倍倍材料材料指标（指标（1）指标（指标（2）指标（指标（3）Si111GaAs2.422.597.80SiC297240090N型金刚石型金刚石5300010000003200Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUSiC功率器件功率器件SiC的材料性质及参数的材料性质及参数通常为多晶。通常为多晶。禁带宽度是禁带宽度是Si的的2 3倍倍绝缘击穿场强是绝缘击穿场强是Si的的10倍倍热导为热导为Si的的3倍倍本征温度是本征温度是Si的的3 4倍倍在功率在功率应用中应用中是理想是理想的材料的材料宽带隙宽带隙有利于有利于减小减小pn结的高温漏电流结的高温漏电流高本征温度高本征温度可以提高可以提高器件的使用极限温度器件的使用极限温度有利于有利于高绝缘强度高绝缘强度减薄偏移层的厚度，减薄偏移层的厚度，减少通态损耗减少通态损耗Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU晶闸管晶闸管Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU思考题：思考题：1、对比整流二极管、对比整流二极管、pin二极管和肖特基二极管的耐二极管和肖特基二极管的耐压情况和工作频率，并说明原因。压情况和工作频率，并说明原因。2、说明传统的、说明传统的MOSFET不适合功率应用的原因。不适合功率应用的原因。3、说明晶闸管的工作原理。、说明晶闸管的工作原理。4、概述、概述IGBT的工作原理。的工作原理。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU一、概述一、概述原则上，电力半导体器件与功率半导体器件的器件物原则上，电力半导体器件与功率半导体器件的器件物理和器件工作原理等方面是完全相同的。但在高压、理和器件工作原理等方面是完全相同的。但在高压、大功率条件下，器件结构等方面还有许多特殊的考虑。大功率条件下，器件结构等方面还有许多特殊的考虑。高压器件的特殊技术考虑：高压器件的特殊技术考虑：少子控制技术少子控制技术散热问题散热问题表面成型技术表面成型技术在高达几千在高达几千A/cm2的电流的电流密度下，注入载流子浓度密度下，注入载流子浓度超过半导体中热离化的载超过半导体中热离化的载流子浓度，因此器件中的流子浓度，因此器件中的本底浓度变得不重要，总本底浓度变得不重要，总电子浓度和空穴浓度相等，电子浓度和空穴浓度相等，需要增加一些特殊考虑。需要增加一些特殊考虑。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU电力半导体器件的分类电力半导体器件的分类器件器件类型类型名称名称不可控器不可控器件件普通型普通型普通二极管普通二极管快速型快速型快速恢复二极管快速恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管50余种，可按极数、结构组合型、触发或关断余种，可按极数、结构组合型、触发或关断方式、应用方式等分。方式、应用方式等分。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU器件器件类型类型名称名称可控器件可控器件 换换流流关关断断型型双极双极晶闸管晶闸管相控晶闸管相控晶闸管P.C.T逆变晶闸管逆变晶闸管I.T非对称晶闸管非对称晶闸管ASCR逆导晶闸管逆导晶闸管PCT门极辅助关断晶闸管门极辅助关断晶闸管GATT光控晶闸管光控晶闸管LTT双向晶闸管双向晶闸管BCT器件器件类型类型名称名称可控可控器件器件自自关关断断型型双极双极GTO 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GCT 门极换向关断晶闸管门极换向关断晶闸管GTR单一型单一型达林顿型达林顿型MOS MOS型型MOSFETMOS双极混合型双极混合型场控晶闸管场控晶闸管FCTMOS双极功能集成双极功能集成绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT促进电子注入栅极晶体促进电子注入栅极晶体管管IECTMOS栅晶闸管栅晶闸管MGT高压集成电路高压集成电路 HVIC组合组合器件器件功率模块与组件、智能模块（功率模块与组件、智能模块（IPM）Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU高压器件的基本应用高压器件的基本应用电力电子是一门用电子的手段控制电气回路，以进电力电子是一门用电子的手段控制电气回路，以进行功率变换和控制的相关技术。行功率变换和控制的相关技术。电力变换电路：整流电路、斩波、变频等基本电力变换电路：整流电路、斩波、变频等基本电路以及控制、保护、滤波电路等。为了高效处电路以及控制、保护、滤波电路等。为了高效处理，构成电路的半导体器件工作在开关状态。理，构成电路的半导体器件工作在开关状态。静止型电源装置：直流稳压电源等。静止型电源装置：直流稳压电源等。电动机的可变速驱动系统。电动机的可变速驱动系统。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU表面成型技术表面成型技术表面条件表面条件影响影响高压器件特性：高压器件特性：电压阻断能力电压阻断能力反向漏电流等反向漏电流等与器件的与器件的体电阻率体电阻率无关无关器件在高温下器件在高温下耐压耐压下降下降稳定稳定性差性差表面电表面电场集中场集中造成的造成的1964年年Davies等提出了控制表面电场的表面成型技术等提出了控制表面电场的表面成型技术表面特性成表面特性成为影响器件为影响器件特性的主要特性的主要因素。因素。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU表面成型技术表面成型技术目的：使表面电场强度显著低于目的：使表面电场强度显著低于pn结的体电场强度。结的体电场强度。方法：方法：降低降低pn结表面电场强度结表面电场强度提高表面保护材料的耐压强度。提高表面保护材料的耐压强度。半导体表面理论简介半导体表面理论简介正、负斜角及其电场分布正、负斜角及其电场分布电力器件的表面成型电力器件的表面成型Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU半导体表面理论简介半导体表面理论简介半导体表面电场的形成及特点主要有以下几种观点：半导体表面电场的形成及特点主要有以下几种观点：电荷感应观点电荷感应观点pn结表面电荷对电场的影响结表面电荷对电场的影响半导体半导体表面附表面附着带电着带电杂质杂质半导体表半导体表面内感生面内感生等量的异等量的异性电荷性电荷静电静电感应感应类似类似pn结结的空间电的空间电荷区荷区pn结表面外有正电荷结表面外有正电荷表面空间电荷区减小表面空间电荷区减小表面电表面电场增加场增加pn结表面外有负电荷结表面外有负电荷表面空间电荷区增宽表面空间电荷区增宽表面电表面电场减小场减小Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU表面态理论表面态理论在器件表面，由于晶格在器件表面，由于晶格周期性的破坏，总是存周期性的破坏，总是存在表面态，其将影响表在表面态，其将影响表面电场分布。面电场分布。通常表面态的典型范围：通常表面态的典型范围：10101012 cm2Pn结反向结反向1200V时，不时，不同表面态密度下的表面同表面态密度下的表面电场强度电场强度表面表面最大最大电场电场正表面态正表面态随之增加随之增加而增加而增加负表面态负表面态随之增加随之增加而减小而减小Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU表面催化表面催化物理吸附物理吸附半半导导体体半导体表半导体表面的物质面的物质化学吸附化学吸附当化学吸附以基团或离子形式存在时，当化学吸附以基团或离子形式存在时，具有形成新化合物的能力，具有对表具有形成新化合物的能力，具有对表面的催化作用。从而引起半导体表面面的催化作用。从而引起半导体表面载流子浓度的变化，影响表面电场强载流子浓度的变化，影响表面电场强度。度。在在pn结表结表面进行面进行HF吸附处理吸附处理将明显改将明显改变表面电变表面电场强度场强度Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU正、负斜角及其电场分布正、负斜角及其电场分布正斜角正斜角定义：定义：面积由高浓度侧向低面积由高浓度侧向低浓度方向减小的磨角浓度方向减小的磨角为正斜角。为正斜角。影响：影响：使表面空间电荷区向上弯曲，由于低掺杂区的弯使表面空间电荷区向上弯曲，由于低掺杂区的弯曲程度大于高掺杂区，因此表面空间电荷区变宽，曲程度大于高掺杂区，因此表面空间电荷区变宽，表面电场强度下降。表面电场强度下降。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU特点：特点：最大电场强度随斜最大电场强度随斜角减小而单调下降角减小而单调下降表面最大电场强度表面最大电场强度始终低于体内最大电始终低于体内最大电场强度场强度最大电场强度的位最大电场强度的位置随斜角减小而远离置随斜角减小而远离pn结。结。正斜角的表面电场分布正斜角的表面电场分布Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU负斜角负斜角定义：定义：面积由低浓度侧向高面积由低浓度侧向高浓度方向减小的磨角浓度方向减小的磨角为负斜角。为负斜角。影响：影响：随着角度的减小，边缘电场的峰值首先增加，随后又下随着角度的减小，边缘电场的峰值首先增加，随后又下降，在某角度以下时小于体内电场强度峰值。降，在某角度以下时小于体内电场强度峰值。Xp高掺杂浓度区的空间电高掺杂浓度区的空间电荷区宽度，荷区宽度，xm总厚度总厚度Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU特点：特点：最大电场随负角度增大最大电场随负角度增大而直线上升，并可能超过而直线上升，并可能超过体内电场。体内电场。最大电场强度位置在高最大电场强度位置在高浓度侧，并逐步移向浓度侧，并逐步移向pn结，结，角度在角度在10o到到50o之间。之间。在极小负斜角的情况下，在极小负斜角的情况下，重掺杂区内的最大电场位重掺杂区内的最大电场位于扩散结内，因而在一定于扩散结内，因而在一定条件下，可能不在表面击条件下，可能不在表面击穿。穿。负斜角表面电场分布负斜角表面电场分布Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU电力器件的表面成型电力器件的表面成型pnn结的结的“双角造型双角造型”双角造型大大降低表面电场强双角造型大大降低表面电场强度，减少度，减少nn区的电场集中。区的电场集中。单角单角12o造型造型双角双角造型造型Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU晶闸管的双正角和组合斜角造型晶闸管的双正角和组合斜角造型M槽结构槽结构双正角造双正角造型型V槽结构槽结构双正角双正角造型造型正负斜角正负斜角负角很小负角很小台型边台型边缘造型缘造型使晶闸管的两个结都能承受高的反向偏压使晶闸管的两个结都能承受高的反向偏压Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU场环结构场环结构提高平面结击穿电压提高平面结击穿电压的通用方法。的通用方法。原理：原理：主结电场达到临界击穿主结电场达到临界击穿值前，希望主结的耗尽值前，希望主结的耗尽层穿通到浮动电场环上。层穿通到浮动电场环上。穿通后电压主要降在浮穿通后电压主要降在浮动电场还上，从而分担动电场还上，从而分担了主结的了主结的“压力压力”。Xiaoyan Liu IME PKUXiaoyan Liu IME PKU结的终端延伸技术结的终端延伸技术通过控制表面电荷来达到改善通过控制表面电荷来达到改善pn结击穿特性结击穿特性局部注入局部注入p型杂质使在型杂质使在n区表面形成一个轻掺杂的区表面形成一个轻掺杂的p区延伸带，于是结终止区的空间电荷区宽度大大加宽，区延伸带，于是结终止区的空间电荷区宽度大大加宽，峰值电场强度大幅度降低。提高结终止区的击穿电压。峰值电场强度大幅度降低。提高结终止区的击穿电压。适于平面结型器件。适于平面结型器